Разработка и исследование низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов Вомпе Татьяна Алексеевна

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности темы. Магнитотвёрдые материалы используют для производства постоянных магнитов, в гистерезисных электродвигателях и в носителях магнитной записи.

Постоянные магниты применяют в электронике, робототехнике, навигации, системах безопасности, авиа- и ракетостроении, в медицине. По данным аналитических отчетов консалтинговой компании Infoholic Research (Индия) объем рынка продаж постоянных магнитов в 2016 году составил 15 млрд долларов. По прогнозу он вырастет до 41 млрд долларов к 2022 году.

Магнитотвёрдые материалы на основе системы Fe-Cr-Co отличаются от других магнитотвёрдых материалов высокими значениям механических свойств (в 800 – 1000 МПа). Значения магнитных свойств Fe-Cr-Co сплавов не уступают значениям магнитных свойств литых сплавов Fe-Ni-Al-Co-Cu. При этом Fe-Cr-Co сплавы содержат меньше дорогостоящего кобальта, обладают высокой коррозионной стойкостью до температуры 1300 С и температурно-временной стабильностью магнитных свойств, имеют высокие рабочие температуры эксплуатации до 500 С, а также поддаются различным видам обработки металлов давлением (прокатка, штамповка и волочение) и лезвийной обработки (точению, фрезерованию и строганию). Fe-Cr-Co сплавы используют при производстве малогабаритных магнитов, работающих в изделиях, которые испытывают высокие динамические и статические нагрузки, в том числе при высоких температурах эксплуатации.

Традиционно Fe-Cr-Co сплавы получают методами литья. Исследования магнитотвёрдых сплавов, полученных методами порошковой металлургии, ведутся в ИМЕТ РАН с середины 2000-х годов. Метод порошковой металлургии позволяет повысить коэффициент использования металла и снизить трудоемкость изготовления магнитов.

Сплавы Fe-Cr-Co, содержащие 15 и более масс. % кобальта, хорошо изучены и выпускаются промышленно. Современные научные работы направлены на исследование сплавов с содержанием кобальта менее 15 масс. %. При термической обработке низкокобальтовых сплавов возрастает время, которое необходимо для получения высоких значений магнитных свойств. Однако не смотря на более продолжительную термическую обработку, сплавы обладают лучшей пластичностью и замедленной кинетикой фазовых превращений, что позволяет улучшить воспроизводимость магнитных и механических свойств.

Создание низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов с высоким уровнем магнитных и механических свойств с использованием минимального количества дорогих легирующих компонентов является актуальной научной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка новых эффективных экономнолегированных материалов с высоким уровнем магнитных свойств на основе низкокобальтовых магнитотвёрдых сплавов системы Fe-Cr-Co.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

1. выбор легирующих компонентов низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов с содержанием кобальта от 7 до 13 масс. %;

2. изучение фазового и структурного состояния низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов;

3. изучение влияния режимов термической обработки на магнитные гистерезисные свойства низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов методом планирования эксперимента;

4. исследование влияния легирующих компонентов Co, Cr, Mo на фазовые и структурные превращения, на магнитные гистерезисные свойства низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов.

Методология и методы исследования.

В ходе выполнения работы были использованы современные методы исследования и испытания материалов: рентгенофлуоресцентный, дилатометрический и рентгеноструктурный анализ, метод нейтронной дифракции, оптическая и просвечивающая электронная микроскопия, измерение магнитных свойств, микротвердости, испытания на сжатие.

Научная новизна.

5. Впервые установлены зависимости остаточной индукции B_r, коэрцитивной силы H_c, максимального энергетического произведения (BH)_max от режимов термомагнитной обработки в интервале температур от 630 до 690 С и критической скорости охлаждения сплава в магнитном поле от 30 до 90 С/ч для магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов с содержанием кобальта от 7 до 13 масс. %. Полученные аналитические зависимости в виде уравнений регрессии могут быть использованы для определения уровня магнитных свойств новых сплавов.

6. Установлено, что содержание кобальта влияет на процесс формирования высококоэрцитивного состояния в низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавах, который идет при температурах ниже 500 С. На сплаве Fe-Cr-Co с 8 масс. % кобальта, легированных 1 и 3 масс. % Mo, процесс продолжается при температурах 460 С и 420 С, соответственно.

7. Впервые получены аналитические зависимости влияния содержания Co, Cr, Mo на магнитные гистерезисные свойства магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов с 7 – 13 масс. % кобальта в виде регрессионных моделей для выбора химического состава и оценки уровня магнитных свойств.

4. Экспериментально установлено, что в магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавах с 8 – 10 масс. % кобальта низкотемпературный отпуск после основного режима термической обработки увеличивает значение коэрцитивной силы максимально в 1,3 раза, а значение максимального энергетического произведения – в 1,5 раза.

Практическая значимость работы.

8. Разработаны новые низкокобальтовые магнитотвёрдые сплавы на основе системы Fe-Cr-Co с содержанием хрома 25 – 31 масс. %, кобальта 7 – 13 масс. %, молибдена 0,5 – 4 масс. % и кремния 0,5 масс. %, режимы термической и термомагнитной обработок, которые обеспечивают высокий уровень магнитных свойств: остаточная индукция B_r до 1,35 Тл, коэрцитивная сила H_c до 45,0 кА/м, максимальное энергетическое произведение (BH)_max – 35,7 кДж/м³.

9. Магнитотвёрдые сплавы с 8 масс. % кобальта (26Х8К3МС, 26Х8КМС, 30Х8К3МС, 30Х8КМС) с остаточной индукцией B_r до 1,3 Тл, коэрцитивной силой H_c до 45,0 кА/м, максимальным энергетическим произведением (BH)_max – 34,1 кДж/м³ могут использоваться вместо промышленных сплавов 28Х10К, 28Х10КА (ГОСТ 24897-81), 52К10Ф (ГОСТ 10994-74) и Arnokrome 3 (Arnold Magnetic Technologies, США) для изготовления постоянных магнитов для гистерезисных электродвигателей.

10. Магнитотвёрдые сплавы с 10 – 13 масс. % кобальта (26Х12КМС, 28Х10К4МС, 28Х13К2МС) с остаточной индукцией B_r до 1,34 Тл, коэрцитивной силой H_c до 44,5 кА/м, максимальным энергетическим произведением (BH)_max – 35,7 кДж/м³ могут использоваться вместо сплава 25Х15КА (ГОСТ 24897-81) для изготовления постоянных магнитов.

11. Полученные аналитические зависимости влияния содержания Co, Cr, Mo на уровень магнитных гистерезисных свойств магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов с

7 – 13 масс. % кобальта в виде регрессионных моделей являются основой для
выбора составов и режимов, и могут быть использованы на предприятиях по
производству постоянных магнитов (АО «Спецмагнит», ОАО НПО «Магнетон»
и др.), в том числе при оптимизации параметров технологического процесса
изготовления магнитов.

5. Получен патент РФ № 2557852 на «Способ термической обработки
магнитотвёрдых сплавов системы железо-хром-кобальт с содержанием кобальта

8 вес %», позволяющий повышать значения магнитных гистерезисных свойств.

Положения, выносимые на защиту:

12. химические составы новых экономнолегированных магнитотвёрдых сплавов на основе системы Fe-Cr-Co с 7 – 13 масс. % кобальта;

13. особенности фазового и структурного состояния магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов с 7 – 13 масс. % кобальта;

3. определение влияния режимов термомагнитной обработки на магнитные гистерезисные свойства магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов методом планирования эксперимента;

4. особенности влияния низкотемпературного отпуска на процесс формирования высококоэрцитивного состояния и на рост магнитных гистерезисных свойств;

5. влияние содержания легирующих компонентов (Co, Cr, Mo) на фазовые и структурные превращения, уровень магнитных гистерезисных свойств магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов в виде аналитических зависимостей. Достоверность и надежность полученных результатов основаны на

использовании современных методов исследований, проведением измерений на сертифицированном оборудовании, большом количестве экспериментальных данных, статистической обработке результатов. Результаты работы апробированы и опубликованы в реферируемых журналах, а также представлены на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора. Автор принимала участие в постановке задач, проведении экспериментов и анализе результатов. Экспериментальные данные получены лично автором либо с её непосредственным участием. Автор принимала участие в написании статей и в докладах на конференциях.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на российских и международных конференциях и семинарах: Школа ФГБУ «ПИЯФ» по физике конденсированного состояния (2012, 2013, г. Санкт-Петербург); III Всероссийская молодёжная конференция с элементами молодежной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (2012, г. Москва); Международная научная конференция, посвященная 40-летию КарГУ имени академика Е.А. Букетова (2012, г. Караганда); Международная балтийская школа по физике твердого тела (2012-2013, г. Калининград); Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (2012, 2014, г. Суздаль); Всероссийская молодежная научная школа «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» (2012, г. Москва); Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Инновации в материаловедении» (2013, 2015, г. Москва); V Всероссийская конференция по наноматериалам (2013, г. Звенигород); Международный симпозиум по магнетизму (MISM) (2014, г. Москва); Международные научные чтения им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов» (2014, г. Москва); XV Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (2014, г. Екатеринбург); Всероссийская школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (2014, г. Казань); Национальная молодежная научная школа для молодых ученых, аспирантов и студентов по современным

методам исследований наносистем и материалов «Синхротронные и нейтронные исследования» (2015, г. Москва); V Международная научно-практическая конференция «Инновации в материаловедении и металлургии» (2015, г. Екатеринбург); Международный молодежный научный форум «Ломоносов» (2016, г. Москва); Международная научная студенческая конференция МНСК (2016, г. Новосибирск); Международная конференция по постоянным магнитам (2013, 2017, г. Суздаль); Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (2011-2017, г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 научные публикации, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также получен патент РФ № 2557852.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 155 страницах, содержит 74 рисунка, 61 таблицу и 38 формул. Список цитированной литературы состоит из 105 наименований.